JP2015514535A - Self-hardening bioactive cement composition containing partially deacetylated chitin as a bone graft substitute - Google Patents
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Abstract
40〜75%の範囲の脱アセチル化度を有する部分的に脱アセチル化されたキチン(PDC)を含む、骨を治癒する医学的治療のための組成物キット。本組成物を、別個の小瓶で提供され、かつ使用直前に混合される、固体画分および液体画分を含むキットとして提供する。固体画分:液体画分の重量:重量比は、1:1.2〜1:6、好ましくは1:1.5〜1:4の範囲である。固体画分は、PDC材料およびリン酸カルシウムを含み、液体画分は、水および酸を含む。【選択図】なしA composition kit for medical treatment of bone healing comprising partially deacetylated chitin (PDC) having a degree of deacetylation in the range of 40-75%. The composition is provided as a kit comprising a solid fraction and a liquid fraction, provided in separate vials and mixed immediately prior to use. The weight: weight ratio of solid fraction: liquid fraction ranges from 1: 1.2 to 1: 6, preferably from 1: 1.5 to 1: 4. The solid fraction contains PDC material and calcium phosphate, and the liquid fraction contains water and acid. [Selection figure] None
Description
本発明は、骨折および骨欠損の医学的治療分野に含まれるものであり、部分的に脱アセチル化されたキチンを含む化合物および組成物ならびにそれらの医学的使用に関する。 The present invention is included in the field of medical treatment of fractures and bone defects and relates to compounds and compositions comprising partially deacetylated chitin and their medical use.
疾患または外傷により骨に空隙が生じた場合、または骨折の治癒が低下した場合には常に、一般的な外科手術手技では、腸骨稜から骨を採取し、その骨移植片を損傷部位に移植することが行われる。これは、骨自家移植と呼ばれる。自家移植片を使用して骨の空隙を充填し、損傷の有効な治癒のために必要な骨誘導特性および骨原特性を与える。この手技は一般に、整形外科ではゴールデンスタンダードとみなされているが、骨の採取に伴う頻繁な病的状態により深刻な欠点を有する。そのため、骨自家移植片の必要性をなくすことを目指すのと同様に、骨誘導特性および骨原特性を有する骨移植片代用材が、産業および学術研究機関によって望まれている。そのような骨移植片代用材は一般に、合成の骨移植片代用材と呼ばれている。これまでのところ、実質的に骨欠損損傷面に骨誘導特性ならびに骨原特性を与えることが証明されている製品は1つも現れていない。 Whenever there is a void in the bone due to disease or trauma, or when healing of the fracture is reduced, a common surgical procedure is to take bone from the iliac crest and transplant the bone graft to the damaged site To be done. This is called bone autograft. Autografts are used to fill the bone voids and provide the osteoinductive and osteogenic properties necessary for effective healing of the injury. This procedure is generally considered a golden standard in orthopedics, but has serious drawbacks due to the frequent morbidity associated with bone harvesting. Therefore, bone graft substitutes with osteoinductive and osteogenic properties are desired by industry and academic research institutions as well as aiming to eliminate the need for bone autografts. Such bone graft substitutes are commonly referred to as synthetic bone graft substitutes. So far, no product has emerged that has proven to provide osteoinductive and osteogenic properties substantially to bone defect injuries.
キチンは、甲殻類の殻から得られる天然の生体高分子化合物であるが、他の無脊椎動物および真菌類からも得ることができる。キチン重合体のN−アセチルグルコサミン残基の脱アセチル化により、典型的には濃アルカリによるN−アセチル結合の加水分解により、キトサンが得られる。定義上、キトサンは一般に、遊離アミン基の等電点である6.2を超えるpHでは水に不溶であるが、約6.2未満のpHで溶解するD−グルコサミン(D)とN−アセチル−D−グルコサミン(A)とからなる共重合体と称されている。典型的には、従来のキトサン共重合体の単量体単位の約75〜100%はD−グルコサミンであり、これを75〜100%の脱アセチル化キトサンまたは75〜100%の脱アセチル化度(DD)を有するものという。従って、そのような物質中の0〜25%の単量体は、N−アセチル−D−グルコサミン基(A)である。 Chitin is a natural biopolymer derived from crustacean shells, but can also be obtained from other invertebrates and fungi. Chitosan is obtained by deacetylation of the N-acetylglucosamine residue of the chitin polymer, typically by hydrolysis of the N-acetyl bond with concentrated alkali. By definition, chitosan is generally insoluble in water at a pH above 6.2, the isoelectric point of the free amine group, but is soluble in D-glucosamine (D) and N-acetyl at a pH below about 6.2. It is called a copolymer comprising -D-glucosamine (A). Typically, about 75-100% of the monomer units of conventional chitosan copolymers are D-glucosamine, which is 75-100% deacetylated chitosan or 75-100% degree of deacetylation. It is said to have (DD). Accordingly, 0-25% of the monomers in such materials are N-acetyl-D-glucosamine groups (A).
脱アセチル化度が約75%よりも低い場合、キチン重合体は異なる溶解度特性を示し、約75%〜約40%のDDを有するそのような物質を一般に、部分的に脱アセチル化されたキチンと呼び、本明細書ではPDCと記す。 When the degree of deacetylation is less than about 75%, chitin polymers exhibit different solubility characteristics, and such materials having a DD of about 75% to about 40% are generally partially deacetylated chitin. This is referred to as PDC in this specification.
本発明者らは、以前に、部分的に脱アセチル化されたキチン重合体およびオリゴマーの生物学的特性について記載している。国際公開第03/026677号には、リウマチ様疾患の治療にPDCオリゴマーを使用することが記載されている。国際公開第2006/134614号には、部分的に脱アセチル化されたキチン重合体およびオリゴマーの生物学的特性について考察されており、そのようなオリゴマーがどのようにキチナーゼ酵素の遮断薬として働くかについて考察されている。 We have previously described the biological properties of partially deacetylated chitin polymers and oligomers. WO 03/026667 describes the use of PDC oligomers for the treatment of rheumatoid diseases. WO 2006/134614 discusses the biological properties of partially deacetylated chitin polymers and oligomers and how such oligomers act as blockers for chitinase enzymes Has been considered.
Chae Choら(J. Craniofacial Surgery Vol. 16 No 2 Mar 2005)は、キトサン・硫酸カルシウム複合体を含む固体のペレットを用いた実験および90%DDを有するキトサンによるウサギにおける欠損した脛骨の骨形成に対するそれらの効果について記載している。 Chae Cho et al. (J. Craniofacial Surgery Vol. 16 No 2 Mar 2005), for experiments with solid pellets containing chitosan-calcium sulfate complex and for osteogenesis of missing tibia in rabbits with chitosan with 90% DD. These effects are described.
Yamadaら(J. Biomed. Mat Research Vol. 66A no. 3, 1 Sep 2003, pp 500-506)は、生物学的石灰化に対するキトサンの効果について調査および考察し、かつ骨芽細胞に対する培地に添加されたキトサンの効果を調査した。 Yamada et al. (J. Biomed. Mat Research Vol. 66A no. 3, 1 Sep 2003, pp 500-506) investigated and discussed the effects of chitosan on biological calcification and added it to the medium for osteoblasts. The effect of chitosan was investigated.
Klokkevoldら(J Periodontol. 1996 Nov;67(11):1170-75)は、骨芽前駆細胞の分化に対するキトサンの効果を評価した。 Klokkevold et al. (J Periodontol. 1996 Nov; 67 (11): 1170-75) evaluated the effect of chitosan on osteoblast precursor differentiation.
国際公開第2004/028578号は、トリポリリン酸塩およびキトサンの溶液を含む製剤中の活性成分として骨形成タンパク質(Bone Morphogenetic Protein)(BMP)を含む、骨の形成および骨の硬化を刺激するための組成物を開示しているが、この2種類の溶液は混合するとすぐに凝固し、診療所での取り扱いに関する特有の懸念が生じる。 WO 2004/028578 is for stimulating bone formation and bone hardening, including Bone Morphogenetic Protein (BMP) as an active ingredient in a formulation comprising a solution of tripolyphosphate and chitosan Although a composition is disclosed, the two solutions coagulate as soon as they are mixed, creating a particular concern for handling in the clinic.
国際公開第01/41822号は、(i)溶解したキトサンを含み、かつ6.5〜7.4の間のpHを有する水性の熱ゲル化液体成分と、(ii)カルシウムを含む固体成分とを含む、自己ゲル化無機質・重合体ハイブリッド製剤について記載しており、前記液体および固体の成分は一緒に混合すると、体温でゲルを形成する硬化しない熱ゲル化組成物を形成する。 WO 01/41822 describes: (i) an aqueous thermogelled liquid component comprising dissolved chitosan and having a pH between 6.5 and 7.4; and (ii) a solid component comprising calcium. A self-gelling inorganic / polymer hybrid formulation is described, wherein the liquid and solid components when mixed together form a non-cured thermogelling composition that forms a gel at body temperature.
国際公開第2006/057011号は、1:1の比の共沈ヒドロキシアパタイトおよびキトサン(87%の脱アセチル化度を有するキトサン)からなる固体の移植材料、ならびに全部で5%のキトサン、リン酸カルシウムおよびポリジメチルシロキサンを含み、かつ固体:液体比が2:1である、「パテ」様の稠度を有する組成物について開示している。パテ様ペースト剤の硬化時間は6分弱であった。このペースト剤を、ラットにおける誘発性骨損傷の治癒について試験した。 WO 2006/057011 describes a solid implant consisting of a 1: 1 ratio of coprecipitated hydroxyapatite and chitosan (chitosan with 87% degree of deacetylation), and a total of 5% chitosan, calcium phosphate and Disclosed is a composition having a “putty” -like consistency comprising polydimethylsiloxane and having a solid: liquid ratio of 2: 1. The setting time of the putty-like paste was less than 6 minutes. This paste was tested for healing of induced bone damage in rats.
一般に当該技術分野では、キトサン自体は骨誘導性ではないと考えられている(例えば、Venkatesan and Kim, "Chitosan Composites for Bone Tissue Engineering - An Overview(骨組織工学のためのキトサン複合体−概要)", Mar Drugs 2010; 8(8): 2252-2266を参照)。 In general, the art believes that chitosan itself is not osteoinductive (eg, Venkatesan and Kim, “Chitosan Composites for Bone Tissue Engineering-An Overview”) , Mar Drugs 2010; 8 (8): 2252-2266).
有効かつ低コストの骨治癒治療のために、臨床応用にとって実用的な他のより有効な製品のさらなる開発がなお強く求められている。 There is still a strong need for further development of other more effective products that are practical for clinical applications for effective and low cost bone healing treatments.
本発明者らは、部分的に脱アセチル化されたキチン(PDC)重合体およびオリゴマーの生物学的効果を慎重に調査し、新たな骨組織の再生を刺激する新規で有効な組成物を開発した。本発明は、in situで注入可能な自硬性の生体活性セメント材料を提供する。本発明の組成物は、人工の骨移植片代用材として有用である。 We have carefully investigated the biological effects of partially deacetylated chitin (PDC) polymers and oligomers and developed new and effective compositions that stimulate the regeneration of new bone tissue. did. The present invention provides a self-hardening bioactive cement material that can be injected in situ. The composition of the present invention is useful as an artificial bone graft substitute.
該組成物は、以下のようないくつかの実用的な利点を有する。
−混合中に煙霧(fumes)または臭い(odours)のない天然の非毒性成分である
−良好な生体適合性を有し、かつ宿主組織による異物反応がない
−硬化中の発熱が少ない
−関連する漏れを全く生じることなく空隙への注入および充填が可能である
−最小限の侵襲的技術(注入)を用いた施用を可能にする良好な成形性および注入性をもつ
−過剰な溶解や完全性の喪失を生じることなく、湿気のある環境への注入を可能にする粘着性および良好な湿潤領域(wet field)特性をもつ
−in situでの比較的素早い硬化で適当な施用時間を可能にする好適な作業時間をもつ
−in situで硬化すると生理学的pHおよび塩分濃度に近くなる
−血液または血液成分、骨髄またはタンパク質分離物溶液などの液体成分の混合を可能にする良好なバルク容量をもつ
−損傷した宿主骨組織における瘢痕組織形成を防止し、かつ表面および空隙充填組成物の内部での新しい骨組織の再生を促進する
−有利な抗微生物特性を有し、それにより感染のリスクを最小限に抑えるのに有用である
本発明の新しい組成物は、脱アセチル化度および分子量によって決まるPDCの特性に依存し、40〜75%の範囲の脱アセチル化度を有するPDCを使用する。他のパラメータは、本明細書にさらに記載されているように適切に最適化することができる。
The composition has several practical advantages as follows.
-Natural non-toxic components without fumes or odours during mixing-Good biocompatibility and no foreign body reaction by host tissues-Less fever during curing-Relevant Can be injected and filled into voids without causing any leakage-with good moldability and injectability that allows application with minimal invasive techniques (injection)-Excess dissolution and integrity Adhesive and good wet field properties that allow for injection into a humid environment without causing loss of loss--allows adequate application time with relatively quick cure in situ Has a suitable working time-close to physiological pH and salinity when cured in situ-has good bulk capacity to allow mixing of liquid components such as blood or blood components, bone marrow or protein isolate solutions- Damaged inn Prevent scar tissue formation in bone tissue and promote regeneration of new bone tissue within the surface and void-filling composition-has advantageous antimicrobial properties, thereby minimizing the risk of infection The new compositions of the present invention use PDCs having a degree of deacetylation in the range of 40-75%, depending on the nature of the PDC, which depends on the degree of deacetylation and molecular weight. Other parameters can be appropriately optimized as described further herein.
本発明の組成物は、使用前に混合されるPDCを含む固体画分と液体画分とを含むキットとして提供される。該混合された組成物は、1:1.2〜1:6、より好ましくは1:1.5〜1:4の範囲の低い固体:液体比を含む。 The composition of the present invention is provided as a kit comprising a solid fraction containing PDC and a liquid fraction that are mixed prior to use. The mixed composition comprises a low solid: liquid ratio ranging from 1: 1.2 to 1: 6, more preferably from 1: 1.5 to 1: 4.
本発明は、骨欠損および骨折などの状態を治癒するための方法をさらに提供する。 The present invention further provides methods for healing conditions such as bone defects and fractures.
本発明は、別々に包装され、かつγ照射で滅菌された固体および液体画分を含む、骨の手術に適した使いやすいキットを提供する。手術直前に、液体画分を固体画分と混合して、液体またはペースト状のセメントを生成する。セメント混合物は、好都合なことに、骨の空隙または骨折部位に注入することができ、かつ良好な成形性および良好な粘着性を有する。これは、針による注入などの最小限の侵襲的技術を用いる骨への施用も可能にする。他の態様では、本組成物は、例えばへらや同様の器具を用いて、既存の骨の表面に施用される。 The present invention provides an easy-to-use kit suitable for bone surgery that contains solid and liquid fractions that are separately packaged and sterilized by gamma irradiation. Just prior to surgery, the liquid fraction is mixed with the solid fraction to produce a liquid or pasty cement. The cement mixture can be conveniently injected into bone voids or fracture sites and has good moldability and good tack. This also allows application to bone using minimally invasive techniques such as needle injection. In other embodiments, the composition is applied to the surface of existing bone using, for example, a spatula or similar device.
本明細書中に説明するように、本組成物は、骨欠損部位に機械的支持を与えると共に、骨原性細胞を刺激してその表面および移植された複合材料の内部に存在および増殖させることにより、新しい骨組織の再生を促進するように最適化されている。これは、pHおよび塩分濃度などに関する望ましい生理的条件を作り出し、固体:液体比を制御して、複合体の細胞浸透および生分解性/再吸収を促進することにより得られる。本発明は、移植された複合体の物理化学的および生物学的特性を制御するように最適化されている。これは、本組成物の酸(リン酸であることが好ましい)および部分的に脱アセチル化されたキチンの緩衝能によるpHの制御、電解質の慎重な選択によるイオン強度の制御、ならびに、本組成物中のPDC重合体のアセチル化度およびPDCの相対量の適当な調整による水結合能/湿潤領域特性および注入強度の制御のうちの1つ以上を含むことができる。骨原性細胞の生物学的刺激は、免疫系の各種細胞により発現される内因性ファミリー18キチナーゼによるPDCのin situでの加水分解により得られる。これは、実施例3にさらに図示および記載されている本発明者らのデータによって支持される(実施例3の「結果」を参照)。これにより、PDCオリゴ糖の生物学的に活性な分子種の徐放が生じる。従って、これらのオリゴマー分子は、複合体材料が分解するにつれて徐々に放出され、隣接する組織の中に拡散し、骨原性細胞に持続的な刺激を与えて、分解している複合体に侵入し、次いで、これを新しい骨組織で置き換える。このプロセス全体を最適化するために、固体:液体比が重要な役割を果たす。 As described herein, the composition provides mechanical support to the bone defect site and stimulates osteogenic cells to exist and proliferate on the surface and within the implanted composite material. Is optimized to promote the regeneration of new bone tissue. This is obtained by creating desirable physiological conditions such as pH and salinity and controlling the solid: liquid ratio to promote cell penetration and biodegradability / resorption of the complex. The present invention has been optimized to control the physicochemical and biological properties of the implanted complex. This includes control of pH by the buffering capacity of the composition's acid (preferably phosphoric acid) and partially deacetylated chitin, control of ionic strength by careful choice of electrolyte, and the composition. One or more of control of water binding capacity / wet area characteristics and injection strength by appropriate adjustment of the degree of acetylation of the PDC polymer in the product and the relative amount of PDC can be included. Biological stimulation of osteogenic cells is obtained by in situ hydrolysis of PDC by endogenous family 18 chitinases expressed by various cells of the immune system. This is supported by our data further illustrated and described in Example 3 (see “Results” in Example 3). This results in the sustained release of biologically active molecular species of PDC oligosaccharides. Thus, these oligomeric molecules are gradually released as the composite material degrades, diffuse into adjacent tissues, provide persistent stimulation to osteogenic cells, and invade the degraded complex This is then replaced with new bone tissue. The solid: liquid ratio plays an important role in optimizing this entire process.
従って、上記特性を最適化するために、驚くべきことに、混合された組成物が約1:1.2〜約1:6の範囲の低い固体:液体画分比を含むと有利であることが分かった。これは、1つにまとめられた混合物中の固体画分の約14重量%〜45重量%の範囲に相当する。本組成物は、限定されるものではないが、1:1.2、1:1.33、1:1.5、1:1.8、1:2、1:2.25、1:2.5、1:3および1:4の比を含む、約1:1.3〜約1:4の範囲または約1:1.3〜約1:3の範囲、より好ましくは約1:1.5〜約1:3の範囲、例えば約1:2〜約1:3の範囲の固体:液体画分比を有することが好ましい(これらの比は、1つにまとめられた混合物中に44.4%、42.9%、40%、35.7%、33.3%、30.8%、28.6%、25%および20%の固体画分の重量含有量に相当する)。 Thus, in order to optimize the above properties, it is surprisingly advantageous that the mixed composition includes a low solid: liquid fraction ratio in the range of about 1: 1.2 to about 1: 6. I understood. This corresponds to a range of about 14% to 45% by weight of the solid fraction in the combined mixture. The composition is not limited, but is 1: 1.2, 1: 1.33, 1: 1.5, 1: 1.8, 1: 2, 1: 2.25, 1: 2. A ratio of about 1: 1.3 to about 1: 4 or a range of about 1: 1.3 to about 1: 3, more preferably about 1: 1, including ratios of .5, 1: 3 and 1: 4. It is preferred to have a solid: liquid fraction ratio in the range of 5 to about 1: 3, for example in the range of about 1: 2 to about 1: 3 (these ratios are 44 in a combined mixture). Corresponding to the weight content of the solid fraction of 4%, 42.9%, 40%, 35.7%, 33.3%, 30.8%, 28.6%, 25% and 20%).
好ましい固体:液体(S/L)比を有するセメント組成物は、人体における良好な粘着性(偏析をほとんど示さない)および最小の溶解を伴う良好な湿潤領域特性を有し、これは、本材料がその完全性を維持し、かつ注入部位から拡散しないことを意味している。これにより、骨組織への最初の長期間の接着と共に、海綿状かつ多孔性の骨への浸潤を含む良好な空洞充填能が得られる。低いS/L比により、セメントの機械的強度が低下することがあるが、S/L比およびキトサン含有量の最適化は、より速いセメント分解を促進し、複合体への細胞のより効率的な浸透、および骨再生の早期開始のための骨原性PDCおよびヒドロキシアパタイトの利用を可能にする。従って、低い最初の機械的強度は、骨形成の早期開始およびその後の新しい骨の蓄積により補われ、機械的負荷が素早く吸収される。 Cement compositions having a preferred solid: liquid (S / L) ratio have good tack in the human body (little segregation) and good wet area properties with minimal dissolution, which is Means that it maintains its integrity and does not diffuse from the injection site. This provides a good cavity filling capability including infiltration into a spongy and porous bone with initial long term adhesion to bone tissue. Although a low S / L ratio may reduce the mechanical strength of the cement, optimization of the S / L ratio and chitosan content promotes faster cement degradation and makes cells more efficient into composites Allows the use of osteogenic PDC and hydroxyapatite for rapid penetration and early initiation of bone regeneration. Thus, the low initial mechanical strength is compensated by the early onset of bone formation and subsequent accumulation of new bone, and mechanical loads are quickly absorbed.
機械的強度は複数の方法で評価することができ、そのうちのいくつかは、添付の実施例1に記載されている。特定の態様では、本発明の組成物は、生理食塩水(0.9%のNaCl)中に37℃で24時間置いた後に、0.2〜10N/mm2の範囲、例えば、0.5〜5N/mm2の範囲または0.5〜2.5Nの範囲の極限圧縮強度として測定された機械的強度を有する。 Mechanical strength can be evaluated in several ways, some of which are described in the accompanying Example 1. In a particular embodiment, the composition of the invention is in the range of 0.2-10 N / mm 2 after being placed in physiological saline (0.9% NaCl) at 37 ° C. for 24 hours, eg 0.5 It has a mechanical strength measured as an ultimate compressive strength in the range of -5 N / mm 2 or in the range of 0.5-2.5 N.
本組成物の所望の低いS/L比により、本発明の硬化されたセメント複合体は、かなりの含有量の自由水を有するが、これは、形成された複合体移植材料が連通孔を持っていることを示している。従って、本発明の組成物は、好ましい態様では、約40〜90%の範囲、より好ましくは40〜70重量%の範囲、例えば50〜70重量%の範囲、例えば約55〜65重量%の範囲、より好ましくは約60〜65重量%の範囲、例えば約60重量%の硬化後の自由水(24時間にわたって105℃で乾燥して放出された水)含有量を有する。これらの値は、生理食塩水(0.9%のNaCl)中で24時間硬化され、in vitroで形成されたセメント中で測定した自由水含有量を指す。一般に、S/L比が低くなるほど、硬化された複合体の乾燥中の水分損失量は多くなる。一例として、S/L比が2であると、硬化された湿重量の約60±5%の水の損失が生じ得る。 Due to the desired low S / L ratio of the composition, the hardened cement composite of the present invention has a significant content of free water, which means that the formed composite graft material has communicating holes. It shows that. Accordingly, the composition of the present invention, in a preferred embodiment, is in the range of about 40-90%, more preferably in the range of 40-70% by weight, for example in the range of 50-70% by weight, for example in the range of about 55-65% by weight. More preferably in the range of about 60-65% by weight, for example about 60% by weight of free water after curing (water released by drying at 105 ° C. for 24 hours). These values refer to the free water content measured in cement formed in vitro and formed in saline (0.9% NaCl) for 24 hours. In general, the lower the S / L ratio, the greater the amount of moisture loss during drying of the cured composite. As an example, an S / L ratio of 2 can result in a loss of water of about 60 ± 5% of the cured wet weight.
粘着性/溶解性または完全性の喪失は、様々な方法で評価することができる。本発明者らは、生理食塩水(磁気棒で撹拌する)を含むビーカー内の液面下のメッシュの網(例えば、約1mmのメッシュ)上に、ある量の新しく混合した組成物を置いてこの特性を評価することが有用であることを見出した(実施例1のさらなる記載を参照)。10分間などの短期間の撹拌後に、95%超、より好ましくは98%超、さらにより好ましくは99%超、最も好ましくは99.9%超などの実質的に全ての材料がなお接着していることが好ましい。 Loss of stickiness / solubility or integrity can be assessed in various ways. We place an amount of the freshly mixed composition on a mesh net (eg, about 1 mm mesh) below the liquid level in a beaker containing saline (stir with a magnetic bar). We have found it useful to evaluate this property (see further description in Example 1). After a short period of agitation, such as 10 minutes, substantially all of the material is still adhered, such as greater than 95%, more preferably greater than 98%, even more preferably greater than 99%, and most preferably greater than 99.9%. Preferably it is.
混合したセメント組成物は、中性に近いpH、又は約6.0〜7.8の範囲、より好ましくは6.5〜7.4の範囲、最も好ましくは約7のpHを有することが好ましい。リン酸カルシウムを含む固体画分は一般に、実質的にアルカリ性であるが、液体画分は、アルカリ性のリン酸塩を中性にするために、典型的に酸性である。好ましい態様では、液体画分は、限定されるものではないが、リン酸、塩酸、アスコルビン酸、乳酸、酢酸、クエン酸、ギ酸、プロピオン酸、リンゴ酸およびグルタミン酸から選択される1種以上の酸を含む。混合した組成物を中性にするのに十分な酸の好適な濃度/量は、本組成物のS/L比、ホスフェートの量ならびにPDCのDDによって決まる。より低いS/L比(固体の方が少ない)を用いる場合、必要な酸の量はより少なくなる。本態様における好ましい酸はリン酸である。好ましい態様では、液体成分は、少なくとも約5%のリン酸、例えば約2.5〜20重量%の範囲のリン酸、例えば2.5〜15重量%の範囲または5〜15%の範囲のリン酸、例えば約5%、約8%、約10%、約12%または約15%のリン酸を含む。他の有用な態様では、液体画分は、リン酸の代わりとして、あるいはリン酸に加えて、いずれか1種以上の上記酸などの1種以上の他の酸を含む。これらの態様では、酸の総量は、アルカリ性の固体画分を液体画分と混合した後に溶液を実質的に中性にするのに十分なものであることが好ましい。従って、酸性度は、5%のリン酸溶液の酸性度と少なくとも同じであることが好ましい。従って、液体画分は、約1〜2.5の範囲、より好ましくは約1〜2の範囲のpHを有することが適切である。他の態様では、5%のリン酸溶液と当量の規定度(N)または上述したようなより高い酸強度を有する量の酸を液体画分中に与えて、酸性度を達成することができる。 The mixed cement composition preferably has a pH close to neutral, or a range of about 6.0 to 7.8, more preferably a range of 6.5 to 7.4, and most preferably about 7. . The solid fraction containing calcium phosphate is generally substantially alkaline, while the liquid fraction is typically acidic to neutralize the alkaline phosphate. In a preferred embodiment, the liquid fraction is one or more acids selected from, but not limited to, phosphoric acid, hydrochloric acid, ascorbic acid, lactic acid, acetic acid, citric acid, formic acid, propionic acid, malic acid and glutamic acid. including. The preferred concentration / amount of acid sufficient to neutralize the mixed composition depends on the S / L ratio of the composition, the amount of phosphate and the DD of the PDC. If a lower S / L ratio (less solids) is used, less acid is required. A preferred acid in this embodiment is phosphoric acid. In a preferred embodiment, the liquid component comprises at least about 5% phosphoric acid, such as about 2.5-20% by weight phosphoric acid, such as 2.5-15% by weight or 5-15% phosphorus. Acid, such as about 5%, about 8%, about 10%, about 12% or about 15% phosphoric acid. In other useful embodiments, the liquid fraction includes one or more other acids, such as any one or more of the above acids, instead of or in addition to phosphoric acid. In these embodiments, the total amount of acid is preferably sufficient to render the solution substantially neutral after mixing the alkaline solid fraction with the liquid fraction. Accordingly, the acidity is preferably at least the same as that of a 5% phosphoric acid solution. Accordingly, it is appropriate that the liquid fraction has a pH in the range of about 1 to 2.5, more preferably in the range of about 1 to 2. In other embodiments, acidity can be achieved by providing in the liquid fraction an acid having a normality (N) equivalent to 5% phosphoric acid solution or higher acid strength as described above. .
PDC自体が緩衝能も有し、そのため、従来のリン酸カルシウム自硬性複合体は、本発明の好ましい組成物と比べて、硬化中により速く制御性の低いpHの低下を示す。PDCの存在は、ヒドロキシアパタイトの形成中に、PDCが残留する水素原子を消費し(中性にし)、それによりpHの変化を抑えることができることを意味している。 The PDC itself also has a buffering capacity, so conventional calcium phosphate self-hardening composites exhibit a faster and less controllable pH drop during curing compared to the preferred compositions of the present invention. The presence of PDC means that PDC can consume (neutralize) the remaining hydrogen atoms during the formation of hydroxyapatite, thereby suppressing changes in pH.
従って、リン酸に加えるかその代わりとして、他の酸が使用される場合、十分なリン酸含有量を得るために、より多くのリン酸カルシウムが必要になることがある。固体および液体画分を混合した後の組成物全体における、このようにして得られた組成物の酸含有量は、少なくとも約2.0%のリン酸、またはリン酸を含むか含まない当量の他の酸、例えば約2.5〜25%の範囲、例えば約3.5〜15%または5〜10%の範囲のリン酸またはその同等物であることが好ましい。 Thus, when other acids are used in addition to or instead of phosphoric acid, more calcium phosphate may be required to obtain sufficient phosphoric acid content. The acid content of the composition thus obtained in the overall composition after mixing the solid and liquid fractions is at least about 2.0% phosphoric acid, or an equivalent amount with or without phosphoric acid. Other acids are preferred, such as phosphoric acid in the range of about 2.5-25%, for example in the range of about 3.5-15% or 5-10% or the like.
本発明の組成物は良好な注入性を有する。12mmの内径および2mmの出口を備えた5mLのシリンジ(B.Braunまたは同等品)で2〜3mLの本発明の新しいセメント組成物を注入するのに最適な注入強度は、好ましくは約10〜30Nの範囲、より好ましくは約20N以下、より好ましくは約15N未満または約10N未満である。これは、実施例1に記載されているように測定することができる。 The composition of the present invention has good injectability. The optimal injection strength for injecting 2-3 mL of the new cement composition of the present invention with a 5 mL syringe (B. Braun or equivalent) with a 12 mm inner diameter and a 2 mm outlet is preferably about 10-30 N. , More preferably about 20 N or less, more preferably less than about 15 N or less than about 10 N. This can be measured as described in Example 1.
本発明の組成物は、固体画分に組み込まれたPDCを含み、これは、セメントを硬化する際に重要な役割を有する。脱アセチル化度(DD)が高くなる程、硬化時間は短くなる。他方で、硬化は温度に関連しており、すなわち、温度が高くなる程、硬化時間は短くなる。従って、好適なパラメータを有するPDCを選択し、それにより、実際の手術の必要性に従って本組成物を最適化して、セメント硬化時間を調整してもよい。50%DDのPDCを用いて室温(20〜25℃)で達成される硬化時間は30分であるが、5℃未満では、硬化時間は3時間を超えることもある。 The composition of the present invention includes PDC incorporated into the solid fraction, which has an important role in curing the cement. The higher the degree of deacetylation (DD), the shorter the curing time. On the other hand, curing is related to temperature, ie the higher the temperature, the shorter the curing time. Accordingly, a PDC having suitable parameters may be selected, thereby optimizing the composition according to actual surgical needs and adjusting the cement setting time. The cure time achieved at room temperature (20-25 ° C.) using 50% DD PDC is 30 minutes, but below 5 ° C., the cure time may exceed 3 hours.
本明細書で使用する硬化時間という用語は、混合から、本明細書に記載されているように容易に施用することができず、かつ破壊することなく成形することがもはや不可能な程度までセメントが硬化する時点を指す。 The term cure time as used herein refers to cement to the extent that it cannot be easily applied as described herein, and can no longer be molded without breaking. Refers to the time when is cured.
別の有用な用語は、作業時間又は使用時間であり、これは、最初の混合(および本組成物が十分に粘着するようになるまでの短い待ち時間)から、硬化時間に到達するまでの本組成物を作業/使用できる時間を指す。本発明の組成物のために、室温(20〜25℃)での使用可能時間は、最初の混合から2〜25分間、例えば、混合から2〜20分間または3〜20分間であることが好ましい。これは、正確な組成および手術室温度によって大きく変わり得る。一般に、組成物のS/L比が低くなると、1:2〜1:3の範囲のS/L比に対して3〜8分間の範囲のように、作業時間の開始を待つ期間はより長くなるが、これは後の硬化時間によって相殺される。従って、S/L比が1:1.5である場合、室温での作業時間は一般に、混合から約2分間〜約9分間であるが、S/L比が1:2のようにより低くなると、作業時間は混合から約6分間〜約20分間まで持続し、従って、使用時間がより長くなる。さらにより低いS/L値(例えば、1:2.5または1:3)を用いる場合、作業時間はさらに変化し、混合からさらに遅く開始するが、本組成物は、より長時間にわたって作業可能なままである。 Another useful term is working time or use time, which is the time from initial mixing (and a short waiting time for the composition to become fully sticky) to the time to reach cure time. Refers to the time that the composition can be worked / used. For the compositions of the present invention, the usable time at room temperature (20-25 ° C.) is preferably 2-25 minutes from the initial mixing, for example 2-20 minutes or 3-20 minutes from mixing. . This can vary greatly depending on the exact composition and operating room temperature. In general, the lower the S / L ratio of the composition, the longer the period of waiting for the start of the working time, such as in the range of 3-8 minutes, for the S / L ratio in the range of 1: 2 to 1: 3. This is offset by later cure time. Thus, when the S / L ratio is 1: 1.5, the working time at room temperature is generally about 2 minutes to about 9 minutes from mixing, but when the S / L ratio becomes lower, such as 1: 2. , The working time lasts from about 6 minutes to about 20 minutes from mixing, and therefore the use time is longer. If even lower S / L values are used (eg 1: 2.5 or 1: 3), the working time will change further and start slower from mixing, but the composition can work for longer periods of time. It remains.
所望の機械的強度は典型的に、PDCの相対量を調整することにより達成され、これは、セメントの機械的特性にとって非常に重量である。セメントは、セメント全体の約20w/w%のPDCでピーク圧縮強度に到達する。一般に、50w/w%のPDCを含むセメントを調製することができる。本発明の組成物は、好ましい態様では1つにまとめられた組成物(固体および液体画分)の総重量の10重量%以下、例えば1つにまとめられた画分の内の約2〜10%の範囲、いくつかの態様では約2.5〜5%の範囲の量のPDCを含む。 The desired mechanical strength is typically achieved by adjusting the relative amount of PDC, which is very heavy for the mechanical properties of the cement. The cement reaches peak compressive strength at about 20 w / w% PDC of the total cement. In general, cements containing 50 w / w% PDC can be prepared. The composition of the present invention, in a preferred embodiment, is 10% or less by weight of the total weight of the combined composition (solid and liquid fractions), for example about 2-10 of the combined fraction. %, In some embodiments in an amount in the range of about 2.5-5%.
さらに、セメント組成物中のPDCの量は、骨の空隙または骨折部位の中に施用された場合に、骨原性効果に対して影響を与え、量が多くなる程、骨原性効果も高くなる。 Furthermore, the amount of PDC in the cement composition affects the osteogenic effect when applied in bone voids or fracture sites, the higher the amount, the higher the osteogenic effect. Become.
本発明の組成物では、固体画分は、3〜30重量%の範囲のPDCを含むことが好ましく、前記量を超えるPDCを含むセメントにより、アセチル化の程度およびパターンに応じて過剰な骨成長が誘導されることがある。固体画分は、5〜15重量%の範囲、例えば5〜10%の範囲のPDCを含むことがより好ましい。 In the composition of the present invention, the solid fraction preferably contains PDC in the range of 3 to 30% by weight, and the cement containing PDC exceeding the above amount causes excessive bone growth depending on the degree and pattern of acetylation. May be induced. More preferably, the solid fraction comprises PDC in the range of 5-15% by weight, for example in the range of 5-10%.
本発明の組成物中のPDCは、再生重合体を含むことが好ましく、これを、溶解およびその後の不純物の濾過に供して、母材から内毒素を除去し、その後、好適な乾燥プロセスで乾燥する。この再生キトサンは、他の態様では、実質的に純粋で、かつ含まれる内毒素が低濃度であるなら、同様の脱アセチル化度、分子量および粒径を有する古典的キトサンまたは部分的に脱アセチル化されたキチンで置き換えてもよい。さらに、本発明の特定の態様では、セメント製剤のために、第4級キトサン、カルボキシメチルキトサンなどの化学修飾されたPDCまたはキトサンの塩の形態もしくは他の形態を使用してもよい。 The PDC in the composition of the present invention preferably includes a regenerated polymer that is subjected to dissolution and subsequent filtration of impurities to remove endotoxin from the matrix and then dried in a suitable drying process. To do. This regenerated chitosan, in other embodiments, is substantially pure and has a similar degree of deacetylation, molecular weight and particle size, or partially deacetylated if the contained endotoxin is at a low concentration. It may be replaced with a modified chitin. Furthermore, in certain embodiments of the invention, chemically modified PDCs such as quaternary chitosan, carboxymethyl chitosan or other salt forms or other forms may be used for cement formulations.
本発明の組成物中のPDCは、エンドトキシン濃度が100EU/g未満の高度に精製されたPDCであることが好ましい。これにより、セメントの良好な生体適合性が保証され、骨組織と接触した際に瞬時に骨原性効果が得られる。 The PDC in the composition of the present invention is preferably a highly purified PDC having an endotoxin concentration of less than 100 EU / g. This ensures good biocompatibility of the cement and provides an osteogenic effect instantly upon contact with bone tissue.
既に述べたように、本発明で使用されるPDC材料は、40〜75%の範囲、より好ましくは約40〜70%の範囲、約40〜60%の範囲(例えば、約40%、約45%、約50%)、または約50〜60%の範囲(例えば、55%または60%)の脱アセチル化度を有する。 As already mentioned, the PDC material used in the present invention is in the range of 40-75%, more preferably in the range of about 40-70%, in the range of about 40-60% (eg about 40%, about 45%). %, About 50%), or a range of about 50-60% (eg, 55% or 60%).
さらに、上記PDCは、ブロック状のN−アセチル−D−グルコサミン(A)またはD−グルコサミン(D)部分、例えばA−A−A−AまたはD−D−D−Dの存在が最小になるように、脱アセチル化プロセス(すなわち、本発明に適したキチン誘導体を得る好ましい方法であるキチンの脱アセチル化)中にランダムな形態に脱アセチル化されることが好ましい。体内で内因性キチナーゼにより加水分解されると、そのような所望の半ばランダムに脱アセチル化された材料により、その量、分子量、ファミリー18キチナーゼの遮断およびキチナーゼ様タンパク質に対する親和性に関して最適な長さのオリゴマーが生成され、骨組織再生にとって最適な治療用目的物が得られる。 Furthermore, the PDC minimizes the presence of block N-acetyl-D-glucosamine (A) or D-glucosamine (D) moieties such as AAAAA or DDDD. Thus, it is preferred that it be deacetylated in a random form during the deacetylation process (ie, deacetylation of chitin, which is a preferred method of obtaining chitin derivatives suitable for the present invention). When hydrolyzed by endogenous chitinase in the body, such desired semi-randomly deacetylated material allows optimal length with respect to its amount, molecular weight, family 18 chitinase blockade and affinity for chitinase-like proteins. Thus, an optimal therapeutic target for bone tissue regeneration is obtained.
脱アセチル化度および残りのアセチル基の分布は、PDC重合体およびオリゴマーの骨原活性に対して顕著な影響を与える。脱アセチル化が少なくなる程、アセチル基の分布がより均質になり、PDCによってより高い骨原活性が示される。本発明の好ましい態様では、半均質な分布、すなわち、アセチル基の上述のようなブロックの分布でも完全に均質かつ一様な分布でもないことが好ましい(一例として、50%DDを有するPDCでは、N−アセチルグルコサミン残基は、全ての他の単量体のように100%が分布されてはならないことを意味する)。 The degree of deacetylation and the distribution of the remaining acetyl groups has a significant impact on the osteogenic activity of PDC polymers and oligomers. The less deacetylation, the more homogeneous the distribution of acetyl groups and the higher osteogenic activity is shown by PDC. In a preferred embodiment of the present invention, it is preferred that the distribution is semi-homogeneous, i.e. neither the distribution of the acetyl groups as described above nor a completely homogeneous and uniform distribution. N-acetylglucosamine residues means that 100% should not be distributed like all other monomers).
本明細書中で言及するPDCの分子量(MW)とは、PDC重合体の重量平均分子量を指す。PDCのMWは、本組成物の各種特性に影響を与え、これらの特性としては、機械的強度、注入性、成形性、粘着性または偏析性、充填能、硬化時間などが挙げられる。好ましい有効なMWは10〜1000kDaの範囲であり、従って、本発明の組成物中のPDCの好ましいMWは、前記範囲内である。成形性および偏析特性は、MWが増加すると向上するが、非常に高いMWは、注入性および充填能に対して好適に作用しないことがある。本発明の組成物では、キチン材料の好ましい範囲は、30〜200kDaの範囲である。 As used herein, the molecular weight (MW) of PDC refers to the weight average molecular weight of the PDC polymer. The MW of the PDC affects various properties of the composition, such as mechanical strength, injectability, moldability, tackiness or segregation, filling ability, and curing time. The preferred effective MW is in the range of 10 to 1000 kDa, therefore the preferred MW of PDC in the composition of the present invention is within the above range. Formability and segregation properties improve with increasing MW, but very high MW may not favor the injectability and fillability. In the composition of the present invention, the preferred range of the chitin material is in the range of 30 to 200 kDa.
高いMWと低いMWの混合物は、様々な相反する特性、例えば偏析特性に対する注入特性を含むことがある。他方、オリゴマー形態の治療用PDCの組み込みにより、治癒過程を短縮してもよい。特定の態様では、本組成物は、典型的にオリゴマー鎖中に約3〜12の範囲の糖残基からなるオリゴマー長と、PDC材料の総含有量の約5〜25重量%(例えば、約5%、10%または15%)などのPDC材料の一部として、約30〜70%の範囲のDD値とを有する、部分的に脱アセチル化されたキトオリゴマーを含む。これにより、骨形成の早期開始が促進される。 A mixture of high and low MW may contain various conflicting properties, such as injection properties for segregation properties. On the other hand, the healing process may be shortened by the incorporation of an oligomeric form of therapeutic PDC. In certain embodiments, the composition typically has an oligomer length consisting of about 3-12 sugar residues in the oligomer chain and about 5-25% by weight of the total content of the PDC material (eg, about As part of the PDC material (such as 5%, 10% or 15%), partially deacetylated chito-oligomers having DD values in the range of about 30-70% are included. This promotes early initiation of bone formation.
キットを用意し、包装した後に、γ照射で滅菌することが好ましい。γ照射は、最初のPDC材料のMWに影響を与えることがあるため、照射前の本組成物中の最初のPDC材料は、200〜1000kDaの範囲のMWを有し、照射により、γ照射後の最終的なMWを30〜200kDaにしてもよい。有効な最初のMWは、いくつかの態様では、10〜1500kDa超の範囲であってもよく、最終的なMWは、10〜1000kDaの範囲であってもよい。最終的なMWの最も好ましい範囲は、上述のように、30〜200kDaの範囲であり、従って、好ましい最初のMW範囲は、光散乱検出器を用いるGPC/SECシステムによって測定した場合に、20〜1000kDaの範囲、例えば、100〜1000kDaの範囲、より好ましくは200〜1000kDaの範囲である。 After preparing and packaging the kit, it is preferable to sterilize by gamma irradiation. Since gamma irradiation can affect the MW of the first PDC material, the first PDC material in the composition before irradiation has a MW in the range of 200-1000 kDa, and by irradiation, after gamma irradiation The final MW may be 30 to 200 kDa. The effective initial MW may in some embodiments range from 10 to 1500 kDa, and the final MW may range from 10 to 1000 kDa. The most preferred range for the final MW is the range of 30-200 kDa, as described above, so the preferred initial MW range is 20-20 when measured by a GPC / SEC system using a light scattering detector. A range of 1000 kDa, for example, a range of 100 to 1000 kDa, more preferably a range of 200 to 1000 kDa.
γ照射の有効な線量は、本明細書における状況では、9〜100キログレイの範囲であることが好ましく、最適な好ましい線量は、20〜35キログレイの範囲である。 The effective dose of gamma irradiation is preferably in the range of 9-100 kilogray in the context herein, and the optimum preferred dose is in the range of 20-35 kilogray.
好ましくは、本発明の組成物中のPDCは、500μm以下の粒径を有する。酸性環境では、そのような材料は素早く溶解し、リン酸カルシウムと反応して、セメント特性を調整する。 Preferably, the PDC in the composition of the present invention has a particle size of 500 μm or less. In an acidic environment, such materials dissolve quickly and react with calcium phosphate to adjust cement properties.
既に述べたように、本発明は、固体画分に組み込まれたPDCを有する。これは、貯蔵の間に生じ得る酸分解を回避するというさらなる利点を有する。これにより、セメントの妥当な貯蔵寿命を保証し、かつセメント特性の劣化および経済的な損失の両方が生じるのを回避する。 As already mentioned, the present invention has a PDC incorporated into the solid fraction. This has the further advantage of avoiding acid degradation that may occur during storage. This ensures a reasonable shelf life of the cement and avoids both degradation of cement properties and economic loss.
本組成物の固体画分にはリン酸カルシウムも含まれている。本発明の好ましい組成物では、リン酸カルシウムは、低結晶性の沈殿ヒドロキシルアパタイトを形成して、最適な同化作用を保証し、かつ体内に骨組織を形成する。 The solid fraction of the composition also contains calcium phosphate. In a preferred composition of the invention, calcium phosphate forms a low crystalline precipitated hydroxyl apatite to ensure optimal anabolism and to form bone tissue in the body.
好ましくは、本組成物の固体画分は、酸性のリン酸カルシウムおよび塩基性のホスフェートを含む。液体画分と混合して中和させると、リン酸カルシウムは、沈殿ヒドロキシルアパタイトの形成を引き起こす。カルシウム:ホスフェートの最も好ましい比、すなわちCa/P比は、約1.6〜1.7の範囲であるが、Ca/P比は、本発明に係る好ましい範囲である1.2〜2.2の範囲で有効である。 Preferably, the solid fraction of the composition comprises acidic calcium phosphate and basic phosphate. When mixed with the liquid fraction and neutralized, calcium phosphate causes the formation of precipitated hydroxyl apatite. The most preferred ratio of calcium: phosphate, the Ca / P ratio, is in the range of about 1.6 to 1.7, while the Ca / P ratio is the preferred range according to the present invention, 1.2 to 2.2. It is effective in the range.
従って、一態様では、リン酸カルシウムは、α−リン酸三カルシウムおよびリン酸四カルシウムである。これらは、80%を超える純度を有することが好ましい(発明者らの経験によれば、80%未満の純度を使用することもでき、骨原特性の劣化を生じ得ない)。また、ヒドロキシルアパタイトの形成を引き起こすリン酸カルシウムの他の組み合わせを本発明で使用してもよい。 Thus, in one aspect, the calcium phosphate is α-tricalcium phosphate and tetracalcium phosphate. These preferably have a purity of more than 80% (according to our experience, a purity of less than 80% can also be used and cannot result in degradation of osteogenic properties). Other combinations of calcium phosphate that cause the formation of hydroxylapatite may also be used in the present invention.
硫酸カルシウムは脆く、リン酸カルシウムよりも低い強度を示すため、体内ではリン酸カルシウムよりも速い再吸収速度を有する傾向がある。硫酸カルシウムとリン酸カルシウムとの混合物は、体内におけるセメントの再吸収速度と機械的特性との両方を組み合わせた利点を有することができる。 Because calcium sulfate is brittle and exhibits lower strength than calcium phosphate, it tends to have a faster resorption rate in the body than calcium phosphate. A mixture of calcium sulfate and calcium phosphate can have the advantage of combining both the resorption rate and mechanical properties of cement in the body.
リン酸カルシウムは、180μm以下、より好ましくは約100μm未満の粒径を有することが好ましい。機械的強度は粒径に反比例する。最も好ましい大きさは、50μm以下である。 The calcium phosphate preferably has a particle size of 180 μm or less, more preferably less than about 100 μm. Mechanical strength is inversely proportional to particle size. The most preferable size is 50 μm or less.
いくつかの態様では、本組成物は、固体画分中にグリセロリン酸ナトリウムを含む。グリセロリン酸ナトリウムを使用して、セメントの機械的特性をさらに高め、かつセメントの塩分濃度を生理的条件に調整してもよい。 In some embodiments, the composition comprises sodium glycerophosphate in the solid fraction. Sodium glycerophosphate may be used to further enhance the mechanical properties of the cement and adjust the cement salinity to physiological conditions.
他の態様では、リン酸水素ナトリウム、リン酸水素二ナトリウムなどのグリセリンリン酸ナトリウムの代わりとして、あるいはそれに加えて、他のホスフェートも使用することができる。 In other embodiments, other phosphates can be used in place of, or in addition to, sodium glycerol phosphate such as sodium hydrogen phosphate, disodium hydrogen phosphate.
上述のように、本発明は、骨折を治癒させるための本発明の組成物の使用に基づく方法をさらに提供する。本方法は、上記のような固体画分および液体画分を用意する工程と、その2つの画分を、約1:1.2〜約1:6の範囲の固体画分:液体画分比、より好ましくは本明細書において上に記載および定義されている範囲、例えば、最も好ましくは約1:2の比で一緒に混合する工程とを含む。その2つの画分を混合し、混合物を所望の稠度および粘度が得られるまで好適な時間をかけて硬化させ、この時、本組成物の「作業時間」が開始し、次いで、治癒が望まれている骨折部位に、好ましくは注入により混合物を挿入する。本組成物の取り扱いは、整形外科に関わる臨床的処置によく適合する。骨の空隙を充填する際に、骨移植片の代わりに本製品を使用して、骨折治癒において癒合を促進し、脊椎固定術、骨切除術、例えば歯周外科手術、骨癌外科手術、例えば患肢温存手術、末梢骨の骨癒合不全箇所の再建術、良性突起における溶骨性突起の修復などにおいて癒合を促進することができる。 As mentioned above, the present invention further provides a method based on the use of the composition of the present invention for healing a fracture. The method comprises the steps of providing a solid fraction and a liquid fraction as described above, and combining the two fractions with a solid fraction: liquid fraction ratio ranging from about 1: 1.2 to about 1: 6. More preferably mixed together in the ranges described and defined herein above, for example, most preferably in a ratio of about 1: 2. The two fractions are mixed and the mixture is allowed to cure for a suitable time until the desired consistency and viscosity are obtained, at which time the “working time” of the composition begins and then healing is desired. The mixture is inserted into the fracture site, preferably by injection. The handling of the composition is well suited for clinical procedures involving orthopedics. Use this product in place of bone grafts when filling bone voids to promote healing in fracture healing, spinal fusion, osteotomy, eg periodontal surgery, bone cancer surgery, eg Healing can be promoted in limb-preserving surgery, reconstruction of bone fusion failure in peripheral bone, and repair of osteolytic processes in benign processes.
従って、本発明は、特にPDCが本明細書に記載されているように組成物キットで提供される場合、一般に骨を修復および治癒させるための薬として使用される、本明細書に記載されているようなPDC材料も提供する。 Thus, the present invention is described herein, which is generally used as a drug for bone repair and healing, particularly when a PDC is provided in a composition kit as described herein. Such PDC materials are also provided.
実施例1:1:2のS/L比を有する本発明の特定の組成物の材料特性
固体および液体成分を別々に混合して1つにまとめ、使用直前にへらで混合する。
Example 1: 1 Material Properties of Specific Compositions of the Invention Having a S / L Ratio of 1: 2 The solid and liquid components are mixed separately and brought together and mixed with a spatula just prior to use.
質感:混合直後のセメント組成物は、作業時間の開始時点で乳白色のペースト剤の質感を有する。15〜30Nの範囲で、5mLのB.Braunシリンジ(12mmの内径および2mmの出口)を用いて、注入強度を測定する。 Texture: The cement composition immediately after mixing has a milky white paste texture at the start of the working time. In the range of 15-30 N, 5 mL of B.P. Injection strength is measured using a Braun syringe (12 mm inner diameter and 2 mm outlet).
室温(20〜25℃)での本組成物の作業時間は、最初の混合から3〜25分の範囲であり、すなわち、室温では25分間であるが、3℃では最大3時間の硬化時間である。 The working time of the composition at room temperature (20-25 ° C.) is in the range of 3-25 minutes from the initial mixing, ie 25 minutes at room temperature, but 3 ° C. with a curing time of up to 3 hours. is there.
2gの本組成物を5mLの非緩衝生理食塩水(0.9%のNaCl)に入れた際の最初のpHは7.4であった。6時間後のpHは6.84であり、1日後は6.47、5日後は5.94であった。 The initial pH when 7.4 g of this composition was placed in 5 mL of unbuffered saline (0.9% NaCl) was 7.4. The pH after 6 hours was 6.84, 6.47 after 1 day and 5.94 after 5 days.
本組成物の粘着性を以下のように測定した。 The tackiness of this composition was measured as follows.
底に2.5cmのマグネチックスターラを備え、かつ25メッシュの網が表面から1cmの深さに配置された100mLのビーカーに、50mLの生理食塩水(0.9%のNaCl)を入れる。0.5mlのすぐに使用可能なセメントを、(「渦巻き状の輪」の形状が得られような円の動きで)網目上に注入する。装置は図1に示されている。この溶液を100rpmの速度で10分間撹拌する。注入されたセメントの正確な重量は、(注入前後のシリンジの重量を測って)決定する。撹拌期間後に、この溶液を混濁度測定管に移し、混濁度を測定し、NTUで表す。 In a 100 mL beaker with a 2.5 cm magnetic stirrer at the bottom and a 25 mesh net placed 1 cm deep from the surface, 50 mL of saline (0.9% NaCl) is placed. 0.5 ml of ready-to-use cement is injected over the mesh (in a circular motion that will result in a “spiral ring” shape). The apparatus is shown in FIG. The solution is stirred for 10 minutes at a speed of 100 rpm. The exact weight of the injected cement is determined (by weighing the syringe before and after injection). After the stirring period, the solution is transferred to a turbidity measuring tube and the turbidity is measured and expressed in NTU.
較正曲線:各セメントを標準として用いて、原液懸濁液を調製した。セメントの重量測定した部分(0.0000gの精度)を全体に分散させて、1000NTUの混濁度を生じさせた。原液懸濁液を使用して、連続希釈により、0、200、400、600、800および1000のNTUを有する標準懸濁液を調製した。セメントの量を懸濁液の混濁度に対してプロットした線形のグラフを用意した。このようにして、10分間の撹拌後に試験溶液の混濁度を測定して、分散したセメントの量を決定した。 Calibration curve: Stock suspensions were prepared using each cement as a standard. The weighted portion of the cement (0.0000 g accuracy) was dispersed throughout to produce a turbidity of 1000 NTU. Standard suspensions with 0, 200, 400, 600, 800 and 1000 NTU were prepared by serial dilution using the stock suspension. A linear graph was prepared in which the amount of cement was plotted against the turbidity of the suspension. In this way, the turbidity of the test solution was measured after 10 minutes of stirring to determine the amount of cement dispersed.
この測定により、0.1%未満のセメント組成物が偏析されて、生理食塩水中に分散したことが判明した。 This measurement revealed that less than 0.1% of the cement composition was segregated and dispersed in saline.
さらなる機械的特性:
針(3mmの外径)を、96ウェルプレート(φ6.7×13mm)の中に埋め込まれた完全に硬化した組成物の中に5mmの深さまで押し入れて、貫入抵抗を荷重計で測定した。生理食塩水(0.9%のNaCl)中、37℃で24時間養生して、本組成物を硬化させた。MTS試験装置(MTS Insight 10、米国ミネソタ州イーデンプレーリー)を用い、各組成物に対して6〜8個の複製物を用いて、表1に記載されている本組成物(S/L比=1:2)の抵抗の測定値は8.08±0.34N/mm2であった。
Further mechanical properties:
A needle (3 mm outer diameter) was pushed into a fully cured composition embedded in a 96 well plate (φ6.7 × 13 mm) to a depth of 5 mm and the penetration resistance was measured with a load cell. The composition was cured in saline (0.9% NaCl) at 37 ° C. for 24 hours. Using the MTS test apparatus (MTS Insight 10, Eden Prairie, Minn., USA) using 6-8 replicates for each composition, the compositions described in Table 1 (S / L ratio = The measured resistance of 1: 2) was 8.08 ± 0.34 N / mm 2 .
様々なS/L比を有する組成物の貫入も試験した。1:1.5のS/L比を有する組成物は、17,25N/mm2の貫入抵抗を有し、これは、S/Lが1:2の組成物(6,221N/mm2)と比較すると、ほぼ3倍であり、1:1のS/L比を有する組成物の測定した貫入抵抗は、32,82N/mm2であった。 The penetration of compositions having various S / L ratios was also tested. A composition having an S / L ratio of 1: 1.5 has a penetration resistance of 17,25 N / mm 2 , which is a composition having an S / L of 1: 2 (6,221 N / mm 2 ). And the measured penetration resistance of the composition having a 1: 1 S / L ratio was 32,82 N / mm 2 .
セメントの強度は、5mmの変位における貫入力から計算する。以前の実験では、上記貫入試験と古典的圧縮試験(CCT)との間に線形の相関のあることが分かっている。 The strength of the cement is calculated from the penetration force at a displacement of 5 mm. Previous experiments have shown that there is a linear correlation between the penetration test and the classical compression test (CCT).
実施例2:機械的特性に対する脱アセチル化の効果
注入強度:2つの異なるDD値すなわち50%および70%のPDCを用いること以外は実施例1に記載されているように、2種類の組成物を調製した。MTS試験装置を用いて、12mmの内径および2mmの出口を備えたB.Braunの5mlのシリンジで注入試験を行った。結果を図1に示す(試験は25℃または3℃のいずれかで行った、図2を参照)。
Example 2: Effect of deacetylation on mechanical properties Injection strength: two compositions as described in Example 1 except that two different DD values are used, ie 50% and 70% PDC Was prepared. Using an MTS testing apparatus, B. with a 12 mm inner diameter and a 2 mm outlet. The injection test was performed with a Braun 5 ml syringe. The results are shown in FIG. 1 (tests were performed at either 25 ° C. or 3 ° C., see FIG. 2).
圧縮強度:3つの異なるDD値すなわち40%、70%および94%を有し、かつS/L比が1であるPDCを用いたこと以外は実施例1と同様に、3種類の組成物を調製した。MTS試験装置を用い、20mm/分のクロスヘッド速度を有する500Nの荷重計を用いて、圧縮強度を試験した。最初のセメント温度を、試験中3℃および25℃に設定した。結果を図3に示す。圧縮試験における各処理に対して5つの試料を使用し、それぞれの大きさはφ9.6×15mmであった。これらの検体を、硬化のために、生理食塩水(0.9%のNaCl)中、37℃で24時間養生し、試験条件を、注入試験について記載されている条件にした。 Compressive strength: Similar to Example 1 except that three different DD values were used, i.e. 40%, 70% and 94%, and a PDC having an S / L ratio of 1 was used. Prepared. The compressive strength was tested using a 500 N load cell with a crosshead speed of 20 mm / min using an MTS test apparatus. Initial cement temperature was set at 3 ° C. and 25 ° C. during the test. The results are shown in FIG. Five samples were used for each treatment in the compression test and each size was φ9.6 × 15 mm. These specimens were cured in saline (0.9% NaCl) for 24 hours at 37 ° C. for curing and the test conditions were as described for the injection test.
実施例3:ラットの下顎骨モデルにおける組成物の生体内試験−脱アセチル化度の最適化
導入:
ラットの下顎骨(顎骨)は、骨治癒の研究のために頻繁に使用されるモデルである(Bone repair in rat mandible by rhBMP-2 associated with two carriers(2種類の担体に関連するrhBMP−2によるラットの下顎骨における骨の修復); Micron, Volume 39, Issue 4, June 2008, Pages 373-379, Joao Paulo Mardegan Issa et. al.; Bone formation in trabecular bone cell seeded scaffolds used for reconstruction of the rat mandible(ラットの下顎骨の再建のために使用される海綿骨細胞が播種された骨格における骨の形成); International Journal of Oral and Maxillofacial Surgery, Volume 38, Issue 2, February 2009, Pages 166-172, H. Schliephake, et.al., Bone regeneration in the rat mandible with bone morphogenetic protein-2: A comparison of two carriers(骨形成タンパク質2を用いたラットの下顎骨における骨再生:2種類の担体の比較); Otolaryngology - Head and Neck Surgery, Volume 132, Issue 4, April 2005, Pages 592-597, Oneida A. Arosarena, Wesley L. Collins; Spontaneous bone healing of the large bone defects in the mandible(下顎骨における大骨欠損の自然な骨治癒); International Journal of Oral and Maxillofacial Surgery, Volume 37, Issue 12, December 2008, Pages 1111-1116, N. Ihan Hren, M. Miljavec)。
Example 3: In vivo testing of the composition in the rat mandible model-optimization of the degree of deacetylation
Introduction :
The rat mandible (mandible) is a frequently used model for bone healing studies (Bone repair in rhBMP-2 associated with two carriers) Bone formation in trabecular bone cell seeded scaffolds used for reconstruction of the rat mandible; Micron, Volume 39, Issue 4, June 2008, Pages 373-379, Joao Paulo Mardegan Issa et. (Bone formation in skeletons seeded with cancellous bone cells used for rat mandibular reconstruction); International Journal of Oral and Maxillofacial Surgery, Volume 38, Issue 2, February 2009, Pages 166-172, H Schliephake, et.al., Bone regeneration in the rat mandible with bone morphogenetic protein-2: A comparison of two carriers (Bone regeneration in the mandible of rats using bone morphogenetic protein-2: comparison of two carriers); Otolaryngology-Head and Neck Surgery, Volume 132, Issue 4, April 2005, Pages 592-597, Oneida A. Arosarena, Wesley L. Collins; Spontaneous bone healing of the large bone defects in the mandible; International Journal of Oral and Maxillofacial Surgery, Volume 37, Issue 12, December 2008, Pages 1111-1116, N. Ihan Hren, M. Miljavec).
下顎骨は、摂食および噛み締めによって引き起こされる定応力に反応する代謝的に活性な骨である。本発明者らは、マイクロCT分析を用いるラットの下顎骨における深刻な骨病変部のための動物モデルを開発して、新しい骨の成長および骨原性反応を測定し、マイクロCT図の石灰化した特徴点を石灰化した骨組織に変換するために組織学的検査を行った。ラットの顎の咬筋窩の中央領域に直径4mmのドリルの穴をあけて、骨の機械的特性に影響を与える深刻な大きさの空隙を得る(図4)。これにより、骨が損傷に反応して、適当な骨原性反応を活性化させることにより、骨構造の弱化を補うことができるようにする。マイクロCT分析により、下顎骨の規定の部分を用いて石灰化を定量化することができる(図4)。これは、骨移植材料としてこの空隙に注入された生体材料の骨原性効果を評価するための優れた手段であることが分かった。この研究では、上記モデルを使用して、リン酸カルシウム系の注入可能な骨空隙充填材中のキチンの異なる誘導体の骨成長刺激効果を評価する。これらのキチン誘導は、脱アセチル化度の異なる3種類のキチン重合体、すなわち50%、70%および96%の脱アセチル化キチン重合体と、1種類の50%脱アセチル化オリゴマー(T−ChOS(商標)、Genis社、アイスランド)であった。本発明者らの過去のラットの顎の研究に基づいて、移植時間を7日間に調整した。この重合体のアセチル化は、新しい骨形成を誘導するために重要であると思われ、50DDの重合体が最も活性であり、96%DDの重合体は不活性であることが分かった。 The mandible is a metabolically active bone that responds to constant stress caused by eating and biting. We have developed an animal model for severe bone lesions in the mandible of rats using micro CT analysis to measure new bone growth and osteogenic response, and calcification of micro CT diagrams Histological examination was performed to convert the feature points into calcified bone tissue. A 4 mm diameter drill hole is drilled in the central region of the rat jaw masseter fossa to obtain a severely sized void that affects the mechanical properties of the bone (FIG. 4). This makes it possible to compensate for weakening of the bone structure by activating an appropriate osteogenic response in response to the damage of the bone. Micro-CT analysis can quantify calcification using a defined portion of the mandible (FIG. 4). This has been found to be an excellent means for evaluating the osteogenic effect of biomaterial injected into this void as a bone graft material. In this study, the model is used to evaluate the bone growth stimulating effects of different derivatives of chitin in calcium phosphate-based injectable bone void fillers. These chitin inductions can be attributed to three types of chitin polymers with different degrees of deacetylation: 50%, 70% and 96% deacetylated chitin polymers and one 50% deacetylated oligomer (T-ChOS). (Trademark), Genis, Iceland). Based on our previous rat jaw study, the implantation time was adjusted to 7 days. The acetylation of this polymer appears to be important for inducing new bone formation, and it has been found that the 50 DD polymer is the most active and the 96% DD polymer is inactive.
材料および方法
本研究で使用したキチン誘導体は、以下のとおりであった。
Materials and Methods The chitin derivatives used in this study were as follows:
50DDのPDC:脱アセチル化度50%(表1に記載されているものと同じ材料)。 50DD PDC: Deacetylation degree 50% (same material as described in Table 1).
70DDのPDC:脱アセチル化度70%。 70DD PDC: Deacetylation degree 70%.
96DDのキトサン:脱アセチル化度96%。 96DD chitosan: 96% deacetylation.
50DDのオリゴマー(T−ChOS(商標)、Genis社、アイスランド):T−ChOS(商標)は単量体を含まず、10%未満の二量体および三量体を含む。八量体は、組成物中に最も多く含まれているオリゴマーである。 50DD oligomer (T-ChOS ™, Genis, Iceland): T-ChOS ™ contains no monomers and contains less than 10% dimers and trimers. Octamers are oligomers that are most abundant in the composition.
全ての重合体の平均分子量は、サイズ排除クロマトグラフィで判定した場合、130kDaを超えていた。 The average molecular weight of all polymers was over 130 kDa as judged by size exclusion chromatography.
それぞれが固体成分(固体画分)および液体成分(液体画分)を含む、4種類の異なる移植材複合体を含むキットを製造した。固体成分(1つの管)は、0.155gのキチン誘導体、0.904gのリン酸四カルシウムおよび0.701gのα−リン酸三カルシウム、0.220gのグリセロリン酸ナトリウムおよび0.098gの水酸化カルシウム(固体画分の総重量は2.078g)を含んでいた。液体成分(1つの管)は、0.398gのリン酸および3.504gの水(総重量は3.902g)を含んでいた(S/L比は1:1.88)。 A kit was prepared containing four different implant composites, each containing a solid component (solid fraction) and a liquid component (liquid fraction). The solid component (one tube) consists of 0.155 g chitin derivative, 0.904 g tetracalcium phosphate and 0.701 g α-tricalcium phosphate, 0.220 g sodium glycerophosphate and 0.098 g hydroxylated. It contained calcium (total weight of the solid fraction was 2.078 g). The liquid component (one tube) contained 0.398 g phosphoric acid and 3.504 g water (total weight 3.902 g) (S / L ratio 1: 1.88).
1種の固体成分および1種の液体成分を、アルミニウム積層熱密封プラスチック袋に入れ、完全にすぐに使用できるキットを製造した。全てのキットをγ照射(20キログレイ、放射線センター(Radiation Center)、オレゴン州立大学、米国)で滅菌した。 One solid component and one liquid component were placed in an aluminum laminated heat sealed plastic bag to produce a kit that was completely ready for use. All kits were sterilized with gamma irradiation (20 kilo gray, Radiation Center, Oregon State University, USA).
手術中および移植前に、これらの成分を無菌状態で混合し、シリンジに入れ、移植まで4℃に維持した。 During surgery and prior to implantation, these components were mixed aseptically, placed in a syringe and maintained at 4 ° C. until implantation.
試験動物は、デンマークのTaconic社によって供給されている雄のSprague-Dawley系ラット(260〜280g)であった。到着時に、動物を臨床検査し、手術前の30日間にわたって実験施設に順応させて飼育した。手術当日の動物の平均体重は413gであり、430〜464gの範囲であった。動物実験の承認に対してアイスランドの委員会が発行した許諾(許諾番号:0709−0405)の下で実験を行った。手術は、整形外科医および麻酔科医により行われ、薬の投与量および動物保護は、獣医師により監督された。 The test animals were male Sprague-Dawley rats (260-280 g) supplied by Taconic, Denmark. Upon arrival, the animals were clinically examined and kept acclimated to the laboratory facility for 30 days prior to surgery. The average body weight of the animals on the day of surgery was 413 g and ranged from 430 to 464 g. Experiments were performed under permission (license number: 0709-0405) issued by the Icelandic Commission for approval of animal experiments. Surgery was performed by orthopedic surgeons and anesthesiologists, and drug dosage and animal protection were supervised by a veterinarian.
各動物の左顎を、毛を剃って消毒して、外科手術に備えた。下顎骨の下縁に平行にその上に位置する切開部から下顎骨にアクセスした。咬筋線維の鈍的な非外傷性切開により、咬筋窩にアクセスした。4mmの歯科用ドリルを用いて、咬筋窩の中央部に4mmの穴を開けた。無菌生理食塩水(5ml)で十分に洗い流した後、その穴に、エッペンドルフ社製分注器を用いて25μlの実験用試験製剤を注入したか、未処置のままにした(未充填空隙対照)。手術創傷部を縫合糸で閉じた。 Each animal's left jaw was shaved and disinfected to prepare for surgery. The mandible was accessed through an incision located above and parallel to the lower edge of the mandible. The masseter fossa was accessed by blunt atraumatic incision of the masseter fibers. Using a 4 mm dental drill, a 4 mm hole was made in the center of the masseter fossa. After thorough rinsing with sterile saline (5 ml), 25 μl of the experimental test formulation was injected into the hole using an Eppendorf dispenser or left untreated (unfilled void control). . The surgical wound was closed with a suture.
39匹の動物を用いて全部で6群を確立した。表2は、実験計画を示す。 A total of 6 groups were established using 39 animals. Table 2 shows the experimental design.
終了時に、ラットをイソフルランで麻酔し、麻酔下で終末的に心臓から出血させた。次いで、左顎を顎関節から解放するように解剖して、3.7%のホルムアルデヒドの50mMリン酸緩衝液(pH7.0)に入れた。 At the end, rats were anesthetized with isoflurane and bleed from the heart terminally under anesthesia. The left jaw was then dissected to release from the temporomandibular joint and placed in 3.7% formaldehyde in 50 mM phosphate buffer (pH 7.0).
マイクロCTスキャン装置(General Electric Inspection Technologies社製のNanotom)で走査を行った。固定液が充填された密閉プラスチック製シリンダ内で試料を固定し、CTスキャン装置の回転テーブル上に装着した。グレイ値の比較のために、基準点としてAlファントムおよびプラスチックファントム(PET)を用いて走査を行った。倍率は4倍、ボクセルサイズは12.50μm/ボクセルエッジ、収集した画像の数は1080(刻み角度:0,33°)であり、露光時間は2000ms、平均フレーム数は3、スキップしたフレーム数は1であった。X線の設定は、0の管モードを用い、かつフィルタを用いずに、100kV、125μAであった。 Scanning was performed with a micro CT scanning device (Nanotom manufactured by General Electric Inspection Technologies). The sample was fixed in a sealed plastic cylinder filled with a fixing solution and mounted on a rotary table of a CT scanning apparatus. For comparison of gray values, scanning was performed using an Al phantom and a plastic phantom (PET) as reference points. The magnification is 4 times, the voxel size is 12.50 μm / voxel edge, the number of collected images is 1080 (step angle: 0, 33 °), the exposure time is 2000 ms, the average number of frames is 3, and the number of skipped frames is 1 The X-ray settings were 100 kV, 125 μA using 0 tube mode and no filter.
CTスキャン装置に付属しているDatos−xソフトウェアを用いて、3次元画像再構成を行った。Volume Graphics社製のVolume Graphics Studio Max 2.0を用いて、データ分析を行った。 Three-dimensional image reconstruction was performed using the Datas-x software attached to the CT scanning device. Data analysis was performed using Volume Graphics Studio Max 2.0 manufactured by Volume Graphics.
下顎骨突起、角突起、鉤状突起および移植材料を含む穴または移植材料を含まない穴を含む、最後部の大臼歯の遠位縁部から後方に延在する骨全体を含む円筒体の体積を定めた(図3、LC)。グレイ値の切り捨て値/グレイ値の定義により、この体積に含まれる総骨体積(古い骨および新しい骨)および移植材料を決定した。移植材料を含む顎の場合、小さい方の円筒体を、移植材料を含む大きい方の円筒体に対して垂直に定めた(図3、SC)。この円筒体に含まれる移植材料の体積を、大きい方の円筒体によって決定された骨および移植材料の総体積から引いた。このようにして、処置済および未処置の顎の総骨(新しい骨および古い骨)体積の推定値を得た(図3)。 Volume of the cylinder containing the entire bone extending posteriorly from the distal edge of the last molar, including mandibular processes, angular processes, ridges and holes with or without graft material (Fig. 3, LC). The definition of gray value truncation value / gray value determined the total bone volume (old and new bone) contained in this volume and the graft material. In the case of a jaw containing the implant material, the smaller cylinder was defined perpendicular to the larger cylinder containing the implant material (FIG. 3, SC). The volume of graft material contained in this cylinder was subtracted from the total volume of bone and graft material determined by the larger cylinder. In this way, an estimate of the total bone (new and old bone) volume of the treated and untreated jaws was obtained (FIG. 3).
マイクロCT走査後に、試料を緩衝固定液に入れた。選択した試料を、Decalc(Histolab社、No.00601、スウェーデンのイェーテボリー)で3時間脱灰した。次いで、標本を脱水し、パラフィンで包埋して、薄片(2μm)にし、ヘマトキシリン−エオジンで染色した。デジタルカメラ(Leica DFC 290)に接続された光学顕微鏡(Leica DM 2000、ドイツ)を用いて薄片を調べ、写真を撮った。 Samples were placed in buffered fixative after micro CT scan. Selected samples were decalcified for 3 hours with Decalc (Histolab, No. 00601, Göteborg, Sweden). The specimens were then dehydrated, embedded in paraffin, sliced (2 μm) and stained with hematoxylin-eosin. The slices were examined and photographed using an optical microscope (Leica DM 2000, Germany) connected to a digital camera (Leica DFC 290).
結果
7日以内に、アセチル化されたキトサンの誘導により、石灰化した顎骨の体積の増加が生じた(図4)。各群について、平均的な石灰化した骨の体積(AMBV、単位:mm3)を計算した(平均値±標準誤差)。2つの対照群の間に有意差は観察されなかった(未充填空隙群およびゼロ日群、それぞれ69.4±3.1および71.1±2.3、図5)。AMBVは、脱アセチル化されたキチン重合体の%DD値とは負に相関しており、96DD群の平均値は71.9±2.9、70DD群は84.2±4.5、50DD群は87.3±3.8であった(図5)。未充填空隙群と比べて、70DD群および50DD群のAMBVは有意に増加していた(それぞれ18%および23%)。興味深いことに、96DD群(96%の脱アセチル化キトサン)は、石灰化した骨の体積に対して有意な効果を有していない(図5)。
Results Within 7 days, induction of acetylated chitosan resulted in an increase in the volume of calcified jawbone (FIG. 4). For each group, the average calcified bone volume (AMBV, unit: mm 3 ) was calculated (mean ± standard error). No significant difference was observed between the two control groups (unfilled void group and zero day group, 69.4 ± 3.1 and 71.1 ± 2.3, respectively, FIG. 5). AMBV is negatively correlated with the% DD value of the deacetylated chitin polymer, with the mean value of the 96DD group being 71.9 ± 2.9, the 70DD group being 84.2 ± 4.5, and 50DD. The group was 87.3 ± 3.8 (FIG. 5). Compared to the unfilled void group, the AMBV in the 70DD and 50DD groups was significantly increased (18% and 23%, respectively). Interestingly, the 96DD group (96% deacetylated chitosan) has no significant effect on calcified bone volume (FIG. 5).
オリゴマー複合体(T−ChOS(商標)移植材料)は、骨の体積の11%の増加を誘導した(図5)。この誘導は有意であった(p<0.05)。しかし、生理化学的特性の低下により、T−ChOS(商標)移植材料は噛み砕かれてしまうことが多く、穴が失われていた。これは、マイクロCT走査画像を調べると明らかであった。T−ChOS(商標)移植材料の大部分がドリルで開けた穴の中からなくなっていた。当該重合体は、この骨セメント製剤の機械的安定性にとって明らかに不可欠である。 The oligomeric complex (T-ChOS ™ graft material) induced an 11% increase in bone volume (FIG. 5). This induction was significant (p <0.05). However, due to the decline in physiochemical properties, T-ChOS ™ implants were often chewed and holes were lost. This was evident when examining the micro CT scan image. Most of the T-ChOS ™ implant was missing from the drilled hole. The polymer is clearly essential for the mechanical stability of this bone cement formulation.
図6は、70%DDの重合体をベースとする注入可能な組成物を移植してから14日目の同じラットの下顎骨の組織学的なマイクロCT横断面の比較を示す。この断面は、ドリルで開けた穴の前方1〜2mmのものである。マイクロCT分析によって新しい骨とみなされた石灰化組織(A、BおよびC)は、ヘマトキシリン−エオジン染色した部分によって判断した場合、新しく形成された骨組織のように見えた。 FIG. 6 shows a histological micro CT cross-sectional comparison of the mandible of the same rat 14 days after implantation of an injectable composition based on a 70% DD polymer. This section is 1-2 mm in front of the drilled hole. Calcified tissue (A, B, and C) considered as new bone by micro CT analysis appeared as newly formed bone tissue as judged by the hematoxylin-eosin stained part.
マイクロCTおよび組織学的検査によって判断すると、全ての新しい骨の密度は元の顎骨よりも小さかった。組織プレパラートにより、新しい骨の成長内部での血管新生を伴う海綿骨の形成が明らかになった。新しい骨の成長は常に、骨欠損部位自体からではなく骨の外面を覆う骨膜から生じていた(図6)。従って、このPDC誘導性骨成長は、主に、顎内部の最大の力学的応力に曝された部位に沿って、下顎骨の表面にわたってドリルで開けた穴から遠位に局在化していたと言える。これは、骨に関連する組織全体に拡散することができる小分子の活性によってのみ説明することができる。これらの小分子は、移植材料中のPDC重合体の生体内原位置での加水分解によって形成されたPDCオリゴマーである可能性が最も高い。この加水分解は、白血球(好中球およびマクロファージ)によって発現されるファミリー18キチナーゼによって触媒される可能性が最も高い。これらの活性キチナーゼは、部分的にアセチル化されたキチン重合体を切断して様々な大きさのPDCオリゴマーを形成する。これらの前記PDCオリゴマーは、移植された組成物から隣接する組織に拡散し、骨への力学的応力に反応して、この遠位での骨成長促進を触媒する。 As judged by micro CT and histological examination, the density of all new bones was lower than the original jawbone. Tissue preparations revealed formation of cancellous bone with angiogenesis within new bone growth. New bone growth always occurred from the periosteum covering the outer surface of the bone, not from the bone defect site itself (FIG. 6). Thus, it can be said that this PDC-induced bone growth was localized distally from the drilled hole across the surface of the mandible, mainly along the site exposed to the maximum mechanical stress inside the jaw. . This can only be explained by the activity of small molecules that can diffuse throughout the tissue associated with bone. These small molecules are most likely PDC oligomers formed by in situ hydrolysis of the PDC polymer in the implant material. This hydrolysis is most likely catalyzed by family 18 chitinases expressed by leukocytes (neutrophils and macrophages). These active chitinases cleave partially acetylated chitin polymers to form PDC oligomers of various sizes. These said PDC oligomers diffuse from the implanted composition into the adjacent tissue and catalyze this distal bone growth promotion in response to mechanical stress on the bone.
実施例4:近位のヒツジ脛骨における深刻な骨の空隙の治療
実施例1(表1)および実施例2に記載されている組成物を、45匹の5歳のヒツジ(5.83±0.71歳、平均値±標準偏差)の近位脛骨の骨端に移植して試験した。全てのヒツジを同様の方法で手術し、15匹を短期間の評価のために3ヶ月間飼育し、15匹を長期間の評価のために13ヶ月間飼育した。動物実験の承認に対してアイスランドの委員会が発行した許諾(許諾番号:0709−0405)の下でこの実験を行った。手術は、整形外科医および麻酔科医により行われ、薬の投与量および動物保護は、獣医師により監督された。
Example 4: Treatment of severe bone voids in the proximal sheep tibia The compositions described in Example 1 (Table 1) and Example 2 were treated with 45 5 year old sheep (5.83 ± 0). .71 years old, mean ± standard deviation) transplanted into the epiphysis of the proximal tibia and tested. All sheep were operated in the same way, 15 were raised for 3 months for short-term evaluation and 15 were raised for 13 months for long-term evaluation. This experiment was performed under permission (license number: 0709-0405) issued by the Icelandic Commission for approval of animal experiments. Surgery was performed by orthopedic surgeons and anesthesiologists, and drug dosage and animal protection were supervised by a veterinarian.
液体および固体成分の混合
この試料に使用されている部分的に脱アセチル化されたキチン重合体は、以下の特性を有していた:50%の脱アセチル化度、1%酢酸の1%溶液中で100%の溶解度、460cPの溶液粘度、10NTU未満の溶液中での混濁度、330kDaの見かけ平均分子量、93EU/gのエンドトキシン含有量。
Mixing of liquid and solid components The partially deacetylated chitin polymer used in this sample had the following properties: 50% degree of deacetylation, 1% solution of 1% acetic acid 100% solubility in, solution viscosity of 460 cP, turbidity in solution below 10 NTU, apparent average molecular weight of 330 kDa, endotoxin content of 93 EU / g.
キットの固体および液体成分を無菌のプラスチックカップに入れ、撹拌し、無菌のへらで2分間一緒に捏和して、粘性のスラリーを形成した。 The solid and liquid components of the kit were placed in a sterile plastic cup, stirred and kneaded together for 2 minutes with a sterile spatula to form a viscous slurry.
外科手術
骨の前縁と後縁との真ん中であって各動物の左および右脛骨の粗面高さに、直径8mmの穴をドリルで開けた。皮質内に直角に、入口用の穴をドリルで開け、その後、ドリルを45°上方に向け直し、脛骨上面(プラトー)底部の下まで開けた。ドリルで穴を開ける処置の間、ドリルを冷却しなかった。ドリルで穴を開けた後、40〜50mLの無菌生理食塩水で洗い流して十分に吸引して、ドリルの穴から骨の残屑を十分に洗い落した。試験キットの液体および固体成分を混合した後、1.5mLのスラリーを、無菌のピペットチップが装着された5mlの無菌シリンジに入れ、当該材料が、脛骨プラトーから皮質内の開口部の下方および外まで、ドリルの穴の空間全体を満たして確実に広がるように、全内容物をドリルの穴に注入した。左脚の穴は未充填のままにし、陰性対照として使用した。その後、両脚の手術創傷を4−0のVicryl連続皮下縫合糸で閉じ、皮膚を4−0のEtilone連続皮内縫合糸で閉じた。外科手術後に目覚めた後、動物を回復のためにヒツジの柵に戻して、そこで歩行可能になるまで慎重に監視した。
A hole 8 mm in diameter was drilled in the middle of the surgical bone's leading and trailing edges at the rough surface height of the left and right tibia of each animal. The entrance hole was drilled at a right angle into the cortex, then the drill was redirected 45 ° upwards and drilled below the bottom of the upper surface of the tibia (plateau). The drill was not cooled during the drilling procedure. After making a hole with a drill, the bone debris was thoroughly washed away from the hole of the drill by rinsing with 40-50 mL of sterile physiological saline and sufficiently sucking. After mixing the liquid and solid components of the test kit, 1.5 mL of the slurry is placed in a 5 ml sterile syringe fitted with a sterile pipette tip, and the material is removed from the tibial plateau below and outside the opening in the cortex. Until then, the entire contents were injected into the drill hole to ensure that the entire drill hole space was filled and expanded. The left leg hole was left unfilled and used as a negative control. The surgical wounds on both legs were then closed with 4-0 Vicryl continuous subcutaneous suture and the skin closed with 4-0 Etilone continuous intradermal suture. After waking up after surgery, the animals were returned to the sheep fence for recovery where they were carefully monitored until they were ambulatory.
試料の死後処理
外植直後に、骨試料を、3.7%のホルムアルデヒドの50mMリン酸緩衝液(pH7.0)の中に入れ、その後、ヒドロキシアパタイトファントム標準物質と共に、マイクロCTスキャン装置(General Electric Inspection Technologies社製のNanotome)で走査した。ゼロ時の時点からのデータを得るために、生体外で調製し、かつ37℃の生理食塩水中に24時間置いて硬化させた円筒状に成形された試料も走査した。走査後、骨試料をのこぎりで切って4mmの厚さの切片にし、緩衝固定液の中に戻して最低でもさらに4週間置いた。固定期間を終えた後、EDTA溶液を定期的に新しくしながら最長4ヶ月間、脱灰のために試料を中性のpHの15%EDTA溶液の中に置いた。脱灰後、試料を組織学検査(パラフィン)のために調製し、ヘマトキシリン・エオジンで染色した。
Post-mortem treatment of the sample Immediately after explantation, the bone sample is placed in a 50% phosphate buffer (pH 7.0) of 3.7% formaldehyde and then, together with a hydroxyapatite phantom standard, a micro CT scanning device (General Scanning was performed with a Nanotome manufactured by Electric Inspection Technologies. To obtain data from the zero time point, cylindrically shaped samples prepared in vitro and cured in physiological saline at 37 ° C. for 24 hours were also scanned. After scanning, the bone samples were sawed into 4 mm thick sections, returned to the buffer fixative and left for a further 4 weeks. After the fixation period, the sample was placed in a neutral pH 15% EDTA solution for decalcification for up to 4 months with periodic renewal of the EDTA solution. After decalcification, samples were prepared for histological examination (paraffin) and stained with hematoxylin and eosin.
マイクロCT分析
一次マイクロCTデータを、Datos−XソフトウェアおよびVolume Graphics社製のVolume Graphics studio Max 2.0を用いて、3次元画像再構成およびデータ分析にかけた。再構成された3次元画像は、脛骨のプラトーからドリルの穴を含む3cm下方に及ぶ脛骨の下垂体全体と、ドリルの穴の外側に存在し得る全ての可能な移植材料とを含んでいた。グレイ値の切り捨て値/グレイ値の定義により、この再構成された3次元画像内の古い骨、新しい骨および移植材料の体積を決定した。標準物質内のより高濃度のヒドロキシアパタイトが、より明るいグレースケール値(「より白色」)を有するマイクロCT画像中に現れる。ヒドロキシアパタイトは、X線減弱を誘導する石灰化された骨の主成分であるため、標準物質のグレースケール値を使用して、試料中の石灰化の程度および分布を推測することができる。ヒドロキシアパタイト標準物質および試料のグレースケール値を比較することにより、石灰化の程度を判断することができる。CT画像中の最も明るい領域は、石灰化の程度が最も高い組織を示している。
Micro CT Analysis Primary micro CT data was subjected to 3D image reconstruction and data analysis using Datato-X software and Volume Graphics studio Max 2.0 from Volume Graphics. The reconstructed three-dimensional image included the entire pituitary gland that spanned 3 cm below the tibial plateau from the drill hole and all possible implants that could exist outside the drill hole. The gray value truncation value / gray value definition determined the volume of old bone, new bone and graft material in this reconstructed 3D image. A higher concentration of hydroxyapatite within the standard appears in the micro-CT image with a lighter grayscale value ("whiter"). Since hydroxyapatite is the main component of calcified bone that induces X-ray attenuation, the grayscale value of the reference material can be used to infer the degree and distribution of calcification in the sample. By comparing the hydroxyapatite standard and the gray scale value of the sample, the degree of calcification can be determined. The brightest region in the CT image indicates the tissue with the highest degree of calcification.
定量的評価のために、長さが4mmで半径が3mmの仮想の円筒体を規定し、その円筒体の軸をドリルの穴の方向の長手軸に慎重に合わせた(図7)。円筒体の向きを固定し続けながら、その半径を段階的に4mm、5mmおよび6mmに増加させ、各円筒体内の無機質体積を測定した。未充填穴(左の脛骨)および移植材料を含む穴の両方で、全ての試料においてこの分析を繰り返した。半径4mmから半径3mm(R4−R3)、R5−R4およびR6−R5のように、広い方の円筒体から狭い方の円筒体を引いて、各円筒体の1mmの外殻(管)の無機質相の体積を得た。全ての円筒体の殻の無機質相の体積を、1mm3の標準体積に対して標準化して無機質密度を得て、SigmaStatおよびSigmaPlotソフトウェアを用いて、このデータを統計学的に分析した。 For quantitative evaluation, a virtual cylinder with a length of 4 mm and a radius of 3 mm was defined, and the axis of the cylinder was carefully aligned with the longitudinal axis in the direction of the drill hole (FIG. 7). While keeping the direction of the cylinder fixed, its radius was gradually increased to 4 mm, 5 mm and 6 mm, and the inorganic volume in each cylinder was measured. This analysis was repeated for all samples, both in the unfilled hole (left tibia) and the hole containing the graft material. Pull the narrower cylinder from the wider cylinder, such as radius 4mm to radius 3mm (R4-R3), R5-R4, and R6-R5, and the 1mm outer shell (tube) mineral of each cylinder The volume of the phase was obtained. The volume of the mineral phase of all cylindrical shells was normalized to a standard volume of 1 mm 3 to obtain mineral density, and this data was analyzed statistically using SigmaStat and SigmaPlot software.
結果
移植された材料および周囲組織を3つの面で示す断面マイクロCT画像を、全ての試料から作成した。これらの画像を目視評価のため使用して、無機質密度の定量的評価のために使用される仮想の円筒体を規定した。
Results Cross-sectional micro-CT images showing the implanted material and surrounding tissue in three planes were generated from all samples. These images were used for visual assessment to define a virtual cylinder used for quantitative assessment of mineral density.
炎症、異物反応、瘢痕組織形成および新しく形成された骨組織の兆候に重点を置いて、移植された材料への組織反応を評価するために、組織切片を使用した。 Tissue sections were used to assess tissue response to the transplanted material with emphasis on signs of inflammation, foreign body reaction, scar tissue formation and newly formed bone tissue.
マイクロCTデータの解釈
In vivoで3ヶ月後に、目視評価により、移植材料の周りに、隣接する海綿骨組織に十分に結合した明らかな新しい骨の高密度な殻が認められた。移植材料内部の島状の高密度な構造は、材料全体に散らばった骨の形成を示していた(図8)。In vivoで13ヶ月後に、これは、さらにより顕著になり、周囲殻は、さらに厚くなっているように見え、移植材料内の骨の形成は、in vivoで3ヶ月後の状態よりもさらに一層顕著であった。
Interpretation of micro CT data
After 3 months in vivo, visual assessment revealed a clear new bone dense shell well bound to the adjacent cancellous bone tissue around the graft material. The island-like dense structure inside the implant material showed bone formation scattered throughout the material (FIG. 8). After 13 months in vivo, this becomes even more pronounced, the surrounding shell appears to be thicker, and the formation of bone in the graft material is even more than in 3 months in vivo. It was remarkable.
Ex vivo試料およびin vivo試料における無機質密度の統計学的評価により、in vivoで3ヶ月の間に無機質密度の21%の減少が認められた。In vivoで3ヶ月〜13ヶ月の間に、移植材料の無機質密度は、再び33%増加した(図9)。 Statistical evaluation of mineral density in Ex vivo and in vivo samples showed a 21% decrease in mineral density over 3 months in vivo. Between 3 and 13 months in vivo, the mineral density of the graft material increased again by 33% (Figure 9).
3ヶ月および13ヶ月目に、未充填穴では、石灰化組織の成長は全くないように見えた。しかし、高密度な骨組織の薄い殻が、未充填穴を囲んでいるように見えた。これは、R4−R3データの定量的評価によって分かった(図10)。これにより、8mmのドリルの穴は、このモデルにおいて深刻な骨の割れ目であることが分かった。 At 3 and 13 months, there appeared to be no calcified tissue growth in the unfilled holes. However, a thin shell of dense bone tissue appeared to surround the unfilled hole. This was found by quantitative evaluation of R4-R3 data (FIG. 10). This revealed that the 8 mm drill hole was a serious bone fracture in this model.
マトラブ(MATLAB:MATrix LABoratory)ソフトウェアおよび医用画像セグメンテーションソフトウェア(MIMICS:medical imaging segmentation software)を用いて、3ヶ月および13ヶ月目にグレイ値分布を測定して、移植材料および骨の変化を定量化した。その結果から、3ヶ月目の移植材料と骨との間のグレイ値分布の顕著な違いが実証されている。しかし、13ヶ月目に、移植材料のグレイ値分布は変化して、周囲の骨のグレイ値分布に類似した状態になった。これらの結果は、10ヶ月間の移植材料の形態変化を示唆しており、移植材料が骨組織に徐々に転化したことを示している。 Gray value distribution was measured at 3 and 13 months to quantify graft material and bone changes using Matlab (MATTRIX LABoratory) software and medical imaging segmentation software (MIMICS) . The results demonstrate a significant difference in gray value distribution between the 3 month implant material and bone. However, at the 13th month, the gray value distribution of the transplant material changed and became similar to the gray value distribution of the surrounding bone. These results suggest a morphological change of the transplant material for 10 months, indicating that the transplant material gradually converted into bone tissue.
組織学的分析による確認
3ヶ月後の脛骨の組織学的評価により、本移植材料は、炎症または異物反応の兆候が全くなく、完全に生体適合性であることが分かった。瘢痕組織形成は、ごく僅かであった。隣接する海綿骨に強く一体化された新しい骨組織の殻は、移植材料全体を取り囲んでいるように見え、島状の新しい骨は、移植材料全体に散らばっていた(図11)。組織切片の画像をマイクロCT断面の対応する画像と並べて、移植材料を取り囲み、かつ移植材料全体に散らばった高密度(X線減弱度が最も高い)を特徴とする領域は、新しく形成された骨組織であることを確認した。
Histological evaluation of the tibia 3 months after confirmation by histological analysis revealed that the graft material was completely biocompatible with no signs of inflammation or foreign body reaction. Scar tissue formation was negligible. A new bone tissue shell that was tightly integrated into the adjacent cancellous bone appeared to surround the entire graft material, and the island-like new bone was scattered throughout the graft material (FIG. 11). A region of tissue slice image aligned with the corresponding image of the micro-CT section surrounding the transplant material and characterized by high density (highest x-ray attenuation) scattered throughout the transplant material is the newly formed bone Confirmed the organization.
Claims (23)
a.40〜75%の範囲の脱アセチル化度を有する部分的に脱アセチル化されたキチン(PDC)およびリン酸カルシウムを含む固体画分と、
b.水および酸を含む酸性の液体画分と、
を含み、
これらの画分は、使用前に混合されるべく別個の小瓶で提供され、該固体画分:液体画分の重量:重量比が、1:1.2〜1:6の範囲である、
前記組成物キット。 A composition kit for medical treatment to heal bones,
a. A solid fraction comprising partially deacetylated chitin (PDC) and calcium phosphate having a degree of deacetylation in the range of 40-75%;
b. An acidic liquid fraction containing water and acid;
Including
These fractions are provided in separate vials to be mixed prior to use, and the solid fraction: liquid fraction weight: weight ratio ranges from 1: 1.2 to 1: 6.
The composition kit.
請求項1〜17のいずれか一項に記載の組成物キットに含まれている、前記PCD。 A PDC having a degree of deacetylation in the range of 40-75% for use as a medicament according to claim 18, comprising:
The said PCD contained in the composition kit as described in any one of Claims 1-17.
40〜75%の範囲の脱アセチル化度を有する部分的に脱アセチル化されたキチン(PDC)およびリン酸カルシウムを含む固体画分と、水および酸を含む酸性の液体画分とを、1:1.2〜1:6の範囲の固体画分:液体画分の重量:重量比で一緒に混合して、液体、半液体またはペースト状のセメント混合物である混合物を形成する工程と、
該得られた混合物を治癒すべき骨の部位に施用する工程と、
を含む、前記方法。 A method of healing bones,
A solid fraction containing partially deacetylated chitin (PDC) and calcium phosphate having a degree of deacetylation in the range of 40-75% and an acidic liquid fraction containing water and acid are 1: 1. Mixing together in a solid fraction: liquid fraction weight: weight ratio ranging from 2 to 1: 6 to form a mixture that is a liquid, semi-liquid or pasty cement mixture;
Applying the resulting mixture to a bone site to be healed;
Said method.
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